石勝征

（南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司，江蘇南通 216013）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為無(wú)污染可再生能源，是世界各國(guó)普遍關(guān)注的綠色能源之一，隨著岸上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)選址的逐漸減少及技術(shù)水平的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電由陸上延伸到海上，已經(jīng)成為世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展領(lǐng)域的一種方向。在我國(guó)，近海風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，相比陸上風(fēng)力發(fā)電，我國(guó)近海風(fēng)力發(fā)電有風(fēng)能條件好、投資成本低、更靠近東部沿海用戶(hù)等特點(diǎn)[1-3]。

但是，相對(duì)于陸上風(fēng)機(jī)的安裝，海上風(fēng)機(jī)安裝施工難度更高，現(xiàn)階段的近海風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目大多集中在水深30 m、離岸30 km左右的海域內(nèi)，無(wú)論工程建設(shè)還是運(yùn)行中的維護(hù)，均需用到大型的起重設(shè)備。因此，大型的海洋起重設(shè)備是近海風(fēng)電安裝及維護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。

1 海上風(fēng)電起重設(shè)備的工況特點(diǎn)

由于近海風(fēng)電場(chǎng)處于海上開(kāi)敞無(wú)遮避水域，這些水域海上風(fēng)力通常大于蒲氏2級(jí)，風(fēng)急浪高，給風(fēng)電場(chǎng)的安裝及維護(hù)作業(yè)帶來(lái)很大困難，專(zhuān)業(yè)的自升式海上風(fēng)電船（平臺(tái)）雖然升腿作業(yè)時(shí)消除了和安裝基礎(chǔ)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但無(wú)遮避水域的風(fēng)況一般較大，對(duì)起重設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)體及被吊設(shè)備帶來(lái)安全隱患。

我國(guó)近海風(fēng)電場(chǎng)所用的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，目前主要有2 MW、3 MW、5 MW幾種類(lèi)型風(fēng)機(jī)，這幾種風(fēng)機(jī)除樁基外總質(zhì)量達(dá)到了350 t到610 t不等，更大的6 MW、7 MW也已經(jīng)在歐洲開(kāi)始應(yīng)用，總質(zhì)量更大，起重安裝設(shè)備研制時(shí)需要考慮具備整機(jī)安裝的大起重量的能力。

海上風(fēng)電設(shè)備安裝后輪轂中心線離海平面高度高達(dá)70 m到95 m不等，國(guó)內(nèi)主要幾種風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量及安裝后高度數(shù)據(jù)如表1[4-5]。

同時(shí)，安裝起重設(shè)備的作業(yè)船舶（平臺(tái)），為了安全作業(yè)，必須保持和風(fēng)電塔一定的安全距離，按實(shí)際使用情況來(lái)看，安裝在作業(yè)船舶（平臺(tái)）上的起重設(shè)備，基本上和作業(yè)的風(fēng)電塔中心保持在不低于20 m的距離上。

表1 國(guó)內(nèi)主要風(fēng)電設(shè)備參數(shù)表

因此，用于近海風(fēng)電安裝的海上起重設(shè)備，在研制時(shí)除需考慮滿(mǎn)足適應(yīng)設(shè)備防腐、海上惡劣的風(fēng)、浪作業(yè)工況外，還需具有大的回轉(zhuǎn)角度、大起重量、大工作半徑及大起升高度的能力要求。

2 海上風(fēng)電起重設(shè)備的發(fā)展

包括1991年丹麥建成的第一個(gè)近海風(fēng)電場(chǎng)，近海風(fēng)電安裝所用的起重設(shè)備主要是全回轉(zhuǎn)浮吊及專(zhuān)用風(fēng)電安裝船（平臺(tái)）起重機(jī)，由于安裝時(shí)存在和風(fēng)電塔之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，浮吊并不是安裝海上風(fēng)電設(shè)備的理想起重設(shè)備。由于技術(shù)的進(jìn)步，帶自升式樁腿及滿(mǎn)足風(fēng)電設(shè)備起重要求的起重機(jī)的移動(dòng)平臺(tái)逐漸被用于近海風(fēng)電場(chǎng)的安裝[6]，由于平臺(tái)被樁腿固定，作業(yè)時(shí)，海浪對(duì)作業(yè)船（平臺(tái)）的影響基本被消除，作業(yè)船（平臺(tái)）與風(fēng)電塔之間沒(méi)有了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，基本是一種理想狀態(tài)，近10年來(lái)，帶自升式樁腿及滿(mǎn)足風(fēng)電設(shè)備起重要求的起重機(jī)的移動(dòng)平臺(tái)已經(jīng)被大家接受首選用于海上風(fēng)電場(chǎng)的安裝及維護(hù)。

從20世紀(jì)90年代海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)誕生起，應(yīng)用于海上風(fēng)電設(shè)備吊裝作業(yè)的起重設(shè)備從技術(shù)特點(diǎn)區(qū)分，至今已經(jīng)發(fā)展了三代產(chǎn)品。

第一代產(chǎn)品主要是以浮動(dòng)船（平臺(tái)）為載體，安裝或放置于浮動(dòng)船（平臺(tái)）甲板上的起重設(shè)備。典型例子是海上浮吊，固定安裝于甲板上，具備了大回轉(zhuǎn)角度、大起重量、大起升高度及大工作半徑的要求，但第一代產(chǎn)品沒(méi)法消除與風(fēng)電塔之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，存在安全隱患；同時(shí)對(duì)作業(yè)人員要求高，作業(yè)效率低下。

第二代產(chǎn)品是以自升船（平臺(tái)）為載體，完全具備了海上吊裝風(fēng)電設(shè)備能力的起重設(shè)備[7]。第二代產(chǎn)品發(fā)展于海上風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用較早的歐洲，應(yīng)用于本世紀(jì)初期。第二代產(chǎn)品與前代產(chǎn)品相比，安全性能高、工作效率大幅度提高是明顯特點(diǎn)，使安裝成本大為降低。如：我國(guó)首座專(zhuān)業(yè)的風(fēng)電安裝平臺(tái)——“華電一號(hào)”及攜帶的QYG700t海上風(fēng)電工程起重機(jī)2013年5月在東海大橋風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行安裝維護(hù)作業(yè)，只用6 d時(shí)間就完成了原計(jì)劃15 d的海上風(fēng)電安裝、維護(hù)工作，獲得客戶(hù)及業(yè)內(nèi)同行的一致好評(píng)如圖1所示。

第三代產(chǎn)品是以自升船（平臺(tái)）為載體，環(huán)安裝于樁腿的起重設(shè)備。與第二代產(chǎn)品相比，主要在于在船（平臺(tái)）安裝位置的改變，第三代產(chǎn)品布置在環(huán)樁腿外，樁腿穿設(shè)備而過(guò)。與前代產(chǎn)品相比，占用空降更小，自身重量明顯下降，起升量/自身重量降到了不大于1.2，使平臺(tái)制造成本明顯下降；同時(shí)，有效增加了船（平臺(tái)）上甲板空間。第三代產(chǎn)品已經(jīng)成為世界上海上風(fēng)電自升船（平臺(tái)）的主流及首選機(jī)型，典型產(chǎn)品是荷蘭的GustoMSC品牌產(chǎn)品。

表2 國(guó)內(nèi)主要在用的專(zhuān)業(yè)風(fēng)電工程安裝船及其主吊情況[8]

圖1 第二代典型海上風(fēng)電安裝起重設(shè)備

圖2 第三代典型海上風(fēng)電安裝起重設(shè)備

3 主要機(jī)型及結(jié)構(gòu)介紹

海上風(fēng)電起重機(jī)按結(jié)構(gòu)型式區(qū)分主要有基座式、桅桿式及繞樁式。

1）基座式海上風(fēng)電起重機(jī)。基座式海上風(fēng)電起重機(jī)主要由基座、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、人字架及吊臂等結(jié)構(gòu)部件組成?；话銥閳A筒型，用船板彎制而成，采用法蘭或焊接方式固定安裝于船（平臺(tái)）甲板上?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承安裝于基座上，吊臂、人字架、司機(jī)室、絞車(chē)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等安裝于回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承與底座實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。人字架和吊臂一般用高強(qiáng)度鋼管焊接制作，平面桁架式結(jié)構(gòu)，使外型空間擋風(fēng)面積小，承風(fēng)能力強(qiáng)，全密封的鋼管適于海上工作環(huán)境。

2）桅桿式海上風(fēng)電起重機(jī)。桅桿式海上風(fēng)電起重機(jī)主要由桅桿、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、吊臂等結(jié)構(gòu)部件組成，桅桿一般為圓錐柱體結(jié)構(gòu)，用高強(qiáng)度船板板材縱向軋制焊接而成，與底座焊接在甲板上，是設(shè)備的主要受力構(gòu)件?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)外形為板梁結(jié)構(gòu)，動(dòng)力泵組、機(jī)房、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、絞車(chē)、吊臂及司機(jī)室等均布置在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)平臺(tái)及吊臂等安裝在桅桿外面，通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與桅桿的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。吊臂的外形為桁架式結(jié)構(gòu)，使用超高強(qiáng)度鋼管材料焊接而成，整體擋風(fēng)面積小，承載能力強(qiáng)，適于海上工作環(huán)境。

圖3 基座式海上風(fēng)電安裝起重設(shè)備

圖4 桅桿式海上風(fēng)電安裝起重設(shè)備

3）繞樁式海上風(fēng)電起重機(jī)。繞樁式海上風(fēng)電起重機(jī)主要由基座、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、人字架及吊臂等結(jié)構(gòu)部件組成，基座一般為圓筒型，用船板彎制而成，采用法蘭或焊接方式固定安裝于船（平臺(tái)）甲板上?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承安裝于基座上，吊臂、人字架、司機(jī)室、絞車(chē)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等安裝于回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，回轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承與底座實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。人字架和吊臂一般用高強(qiáng)度鋼管焊接制作，平面桁架式結(jié)構(gòu)，使外型空間擋風(fēng)面積小，承風(fēng)能力強(qiáng)，全密封的鋼管適于海上工作環(huán)境。

4 主要機(jī)構(gòu)介紹

1）起升機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)由卷筒、支架和行星減速箱組成。卷筒采用鋼板彎制，表面一般制作螺旋槽或安裝籬笆皮方式，確保鋼絲繩排列整齊，不亂繩，同時(shí)提高鋼絲繩壽命。海上風(fēng)電起重設(shè)備的起升高度比較大、繞繩組數(shù)較多，因而容繩量較大，繞繩層數(shù)較多。起升機(jī)構(gòu)的減速箱一般采用內(nèi)藏式行星減速箱，常閉式制動(dòng)器，通過(guò)彈簧制動(dòng)器進(jìn)行，制動(dòng)器設(shè)有摩擦片磨損補(bǔ)償裝置。在失壓情況下，制動(dòng)器可馬上接（咬）合，以實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。起升機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)（或電動(dòng)機(jī)）、鋼絲繩、滑輪、吊鉤及其它附件等組成起重設(shè)備的起升系統(tǒng)。

2）變幅機(jī)構(gòu)。變幅機(jī)構(gòu)與起升機(jī)構(gòu)一樣，由卷筒、支架和行星減速箱組成。卷筒也采用鋼板彎制，表面一般制作螺旋槽或安裝籬笆皮方式。變幅機(jī)構(gòu)的減速箱也采用內(nèi)藏式行星減速箱，制動(dòng)是常閉式制動(dòng)器，通過(guò)彈簧制動(dòng)器進(jìn)行，制動(dòng)器設(shè)有摩擦片磨損補(bǔ)償裝置。在失壓情況下，制動(dòng)器可馬上接（咬）合，以實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。變幅機(jī)構(gòu)設(shè)有逆向棘輪棘爪安全裝置，保證吊臂不會(huì)因?yàn)槭旱袈?。變幅機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)（或電動(dòng)機(jī)）、鋼絲繩、滑輪及其它附件等組成起重設(shè)備的變幅系統(tǒng)。

3）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是帶圓盤(pán)制動(dòng)器的行星齒輪減速器，由液壓馬達(dá)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，小齒輪輸出（帶動(dòng)整機(jī)回轉(zhuǎn)），小齒輪與回轉(zhuǎn)支承輪齒間隙的調(diào)整可通過(guò)裝置的偏心安裝法蘭來(lái)進(jìn)行?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)（或電動(dòng)機(jī)）、轉(zhuǎn)盤(pán)支承裝置等組成起重設(shè)備的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

5 動(dòng)力系統(tǒng)介紹

海上風(fēng)電起重機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)一般采用電動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)、柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)三種方式。電動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力，通過(guò)分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)液壓泵組為各機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到直線運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng)的目地。柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)是以柴油機(jī)作為原動(dòng)力，通過(guò)分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)液壓泵組為各機(jī)構(gòu)提供液壓動(dòng)力，分別驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到直線運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng)的目地。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是以電作為原動(dòng)力，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到直線運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng)的目地。

因?yàn)榧夹g(shù)原理的發(fā)展成熟程度、制造成本及后期的維護(hù)保養(yǎng)等因素的制約，第一、第二代的海上風(fēng)電起重機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)基本采用電動(dòng)機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)和柴油機(jī)-液壓驅(qū)動(dòng)兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著變頻控制技術(shù)的不斷成熟及成本的不斷下降，電動(dòng)變頻控制也不斷開(kāi)始應(yīng)用于海上起重設(shè)備，以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式得到很大的發(fā)展，現(xiàn)在，海外品牌的第三代海上風(fēng)電起重機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)基本上采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

圖5 繞樁式海上風(fēng)電安裝起重設(shè)備

6 控制系統(tǒng)介紹

海上風(fēng)電起重設(shè)備的控制方式主要采用液壓控制及電動(dòng)變頻控制兩種。

液壓控制的系統(tǒng)一般由動(dòng)力元件（電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)）、分動(dòng)箱、柱塞泵、多路閥、液壓馬達(dá)、其它閥件、管路管件、接頭等組成，相對(duì)電變頻的控制方式，液壓控制成熟程度高、制造成本及后期的維護(hù)保養(yǎng)較低等優(yōu)勢(shì)，第一、二代海上風(fēng)電起重設(shè)備的控制基本采用液壓控制方式。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著變頻控制技術(shù)的不斷成熟及成本的不斷下降，電動(dòng)變頻控制也開(kāi)始應(yīng)用于海上起重設(shè)備，現(xiàn)在，海外品牌的第三代海上風(fēng)電起重機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)基本上采用電動(dòng)變頻控制。

相對(duì)于液壓控制方式，電變頻控制有著綠色環(huán)保、節(jié)能、界面友好、模塊程度高、后期維保方便等優(yōu)點(diǎn)，是后續(xù)產(chǎn)品發(fā)展的主要方向。

7 結(jié)語(yǔ)

大型的海上起重設(shè)備是海上風(fēng)電船（平臺(tái)）的關(guān)鍵設(shè)備，已經(jīng)影響著海上風(fēng)電場(chǎng)的投資成本及進(jìn)度，進(jìn)而影響到海上開(kāi)發(fā)的推進(jìn)、利用?？上驳氖?，進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，海上風(fēng)電在世界各國(guó)得到了大力發(fā)展，也推動(dòng)了大型海上起重設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，在中國(guó)，專(zhuān)業(yè)的風(fēng)電起重設(shè)備更是蓬勃發(fā)展，近十年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電起重設(shè)備從第一代已經(jīng)發(fā)展到最新的第三代，已經(jīng)同步于國(guó)外的產(chǎn)品。我們相信，隨著海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)在我國(guó)不斷得到推進(jìn)，海上起重設(shè)備及相應(yīng)技術(shù)也會(huì)不斷取得發(fā)展。

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